（來源：MIT News）

海洋里生機(jī)盎然，色彩豐富，但除非近距離觀察，否則大部分海洋世界都很容易被忽視。這是因?yàn)樗旧砭拖褚粚犹烊坏摹半[形斗篷”，當(dāng)光線穿過海洋時(shí)，會(huì)發(fā)生彎曲、散射并在水體和懸浮顆粒的干擾下迅速衰減。這使得在非近距離拍攝的情況下，幾乎無法準(zhǔn)確還原水下物體的真實(shí)色彩。

如今，麻省理工學(xué)院（MIT）和伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款名為“SeaSplat”的圖像分析工具，它能夠消除水體光學(xué)干擾，生成仿佛“排干海水”般的真實(shí)水下場(chǎng)景圖像。該團(tuán)隊(duì)將這種顏色校正工具與一個(gè)計(jì)算模型相結(jié)合，可將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維虛擬水下世界，供科學(xué)家自由探索。

“SeaSplat”的名稱源自其水下應(yīng)用（Sea）和核心技術(shù)“3D 高斯?jié)姙R”（3D Gaussian Splatting, 3DGS）。后者通過拼接多角度拍攝的圖像，構(gòu)建出可從任意視角觀察的完整三維場(chǎng)景。

“借助 SeaSplat，可以明確模擬水體的光學(xué)效應(yīng)，從而在一定程度上‘移除’水的干擾，生成更精確的水下 3D 模型?！甭槭±砉W(xué)院研究生 Daniel Yang 表示。

研究團(tuán)隊(duì)在美屬維爾京群島等海域，利用潛水器和水下機(jī)器人拍攝的海床圖像測(cè)試該工具，生成的 3D 場(chǎng)景在色彩真實(shí)性和細(xì)節(jié)豐富度上均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

團(tuán)隊(duì)指出，SeaSplat 可幫助海洋生物學(xué)家高效監(jiān)測(cè)珊瑚礁等生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。例如，當(dāng)水下機(jī)器人探索珊瑚礁并拍攝圖像時(shí)，SeaSplat 可同步處理這些圖像，生成真實(shí)色彩的三維模型?？茖W(xué)家們能夠以自己的節(jié)奏和路徑虛擬“飛越”其中，檢查珊瑚白化等跡象。

“近距離觀察時(shí)，珊瑚的白化現(xiàn)象呈現(xiàn)白色，但遠(yuǎn)看可能因水體散射顯得模糊發(fā)藍(lán)，難以識(shí)別?！?WHOI 副科學(xué)家 Yogesh Girdhar 解釋道，“借助 SeaSplat 的真實(shí)色彩成像，珊瑚白化和不同珊瑚物種將更容易被識(shí)別?！?/p>

還原海洋真實(shí)色彩的科技突破

在海洋中，物體的顏色和清晰度會(huì)被光線在水中的傳播效應(yīng)所扭曲。近年來，研究人員開發(fā)了多種旨在重現(xiàn)海洋真實(shí)色彩的校正工具，部分技術(shù)源自陸地環(huán)境（如霧天場(chǎng)景的色彩還原）。近期一項(xiàng)研究通過“Sea-Thru”的算法實(shí)現(xiàn)了海洋真實(shí)色彩的精準(zhǔn)還原，但其需要巨大的計(jì)算資源，用于生成三維場(chǎng)景模型時(shí)面臨挑戰(zhàn)。

與此同時(shí)，三維高斯?jié)姙R（3DGS）也取得重大進(jìn)展：該技術(shù)可無縫拼接多角度圖像，并通過智能填補(bǔ)空白以構(gòu)建完整三維場(chǎng)景。這種“新視角合成”技術(shù)允許觀察者從任意角度和距離探索生成的三維世界。

然而，3DGS 迄今僅成功應(yīng)用于陸地環(huán)境。水下三維重建面臨兩大光學(xué)挑戰(zhàn)：后向散射：光線在海洋微粒上反射形成的霧狀光暈；衰減效應(yīng)：特定波長光線隨距離減弱的現(xiàn)象（例如遠(yuǎn)距離觀察時(shí)紅色物體比藍(lán)色物體更易褪色）。

陸地環(huán)境中，物體顏色基本不受觀察角度和距離影響；但在水中，顏色會(huì)隨視角迅速變化。當(dāng) 3DGS 嘗試拼接水下圖像時(shí)，后向散射和衰減效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致不同角度的物體顏色失真，使模型無法準(zhǔn)確解析物體。

“我們對(duì)水下機(jī)器人視覺的愿景是：想象移除海洋中的水后，會(huì)看到什么？” MIT 機(jī)械工程系教授 John Leonard 說。

SeaSplat 如何重塑水下三維視覺

在新研究中，Yang 及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種色彩校正算法，能夠精確計(jì)算后向散射與衰減效應(yīng)對(duì)圖像中每個(gè)像素的扭曲程度，并通過逆向運(yùn)算還原像素的真實(shí)色彩。

隨后，研究人員將該算法整合至 3DGS 模型，最終構(gòu)建了 SeaSplat 系統(tǒng)。它可快速分析水下場(chǎng)景圖像，生成真實(shí)色彩的三維虛擬模型，支持從任意角度和距離進(jìn)行細(xì)節(jié)探索。

團(tuán)隊(duì)將 SeaSplat 應(yīng)用于多個(gè)水下場(chǎng)景，包括紅海、庫拉索島加勒比海海域、巴拿馬附近太平洋等不同水況條件的圖像（部分來自現(xiàn)有數(shù)據(jù)集），并在美國維爾京群島通過遙控水下機(jī)器人拍攝的圖像進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果顯示：SeaSplat 生成的三維場(chǎng)景中，物體即使從不同角度和距離觀察，色彩均保持真實(shí)穩(wěn)定，完全規(guī)避了實(shí)際海水中常見的“褪色現(xiàn)象”。

“生成三維模型后，科學(xué)家可以像潛水一樣‘暢游’其中，以真實(shí)色彩細(xì)致觀察細(xì)節(jié)。” Yang 表示。

目前該方法需依賴高性能臺(tái)式計(jì)算機(jī)，雖暫無法搭載于水下機(jī)器人，但適用于系纜作業(yè)——通過纜線將水下設(shè)備拍攝的圖像實(shí)時(shí)傳輸至船載計(jì)算機(jī)處理。

“這是首個(gè)能快速構(gòu)建高精度彩色水下三維模型的技術(shù)，且渲染速度極快，”WHOI 副科學(xué)家 Yogesh Girdhar強(qiáng)調(diào)，“這將助力生物多樣性量化評(píng)估，以及珊瑚礁等海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)?！?/p>

https://news.mit.edu/2025/imaging-technique-removes-water-effect-underwater-scenes-0520